K8型单层球面网壳抗冲击荷载性能研究

首先介绍了求解冲击问题的解析法、有限元法的算法基础、适用于求解强非线性动力问题的有限元解法,以及计算冲击荷载响应的通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA。为验证软件求解功能及相关参数设置的正确性,分别用解析法与有限元软件求解同一简单模型,二者结果吻合。随后在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了60m跨度K8型单层球面网壳冲击模型。在上述基础上,对135个K8型网壳算例进行了分析,研究表明:网壳竖向变形和主要杆件受力随冲击质量与速度的增加而增大,当质量与速度增加到一定值后,二者均不再变化。而且当冲击质量较小时,网壳塑性发展可以由冲击动量初步判定,冲击质量较大时,则与冲击速度之间有明显相关性。在一次冲击网壳破坏情况下,冲击持时随冲击速度的增大而减少。     

冲击荷载下K8单层球面网壳的破坏类型

首先介绍求解冲击问题解析法与数值法的算法基础,以及有限元求解的基本解法(中心差分法)。之后介绍了以上述为理论基础的计算冲击荷载的国际通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA。并分别用解析法与有限元软件求解同一简单模型,互相校核;二者结论接近,验证了软件求解功能及相关参数设置的正确性。随后在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了60m跨度K8型单层球面网壳抗冲击模型,在上述基础上,通过对135个算例的分析总结,根据竖向变形与塑性发展情况总结了K8单层球面网壳结构在顶点冲击荷载下的五种破坏类型及其分布规律。     

外爆荷载下Kiewitt 8型单层球面网壳的动力响应

为研究Kiewitt 8型单层球面网壳在爆炸荷载下的动力响应,基于LS-DYNA建立了爆炸中考虑附属结构(檩托,檩条,铆钉和屋面板)影响的40 m单层球面网壳结构有限元模型。通过分析相同爆炸荷载下不同结构矢跨比,构件尺寸和材料属性等参数对结构响应的影响,得到了球面网壳的矢跨比、杆件截面、屋面板厚度及屋面活荷载等是影响结构动力响应的主要因素。在此基础上,通过讨论相同结构在不同爆炸作用下的结构破坏及倒塌情况,提出了单层球面网壳在外爆荷载下安全距离的计算方法,为更好地建立网壳结构的抗爆设计方法和安全评估理论提供了依据。     

K8型单层球面网壳爆炸动力响应的简化计算方法研究

根据哈密顿原理,基于拉格朗日方程提出了适用于简支梁和K8型单层球面网壳爆炸动力响应计算的理论分析模型。首先,利用该方法获得了简支梁在三角形爆炸荷载作用下的动力响应,其简支梁跨中的振动规律、峰值位移与速度以及系统的动能和内能等结果与有限元分析极为接近。继而将该方法推广到K8型单层球面网壳在三角形爆炸荷载作用下的动力响应计算,探讨了网壳杆件变形函数中广义位移参数数量和荷载峰值对响应结果的影响及规律。基于理论计算结果与LS-DYNA有限元分析的误差分析,对理论分析模型进行了改进,总结了该理论方法在网壳结构爆炸响应计算上的适用性。     

单层球面网壳的优化设计

本文以网壳的矢高，网格数，杆件截面积，球节点的体积为设计变量，以总造价最低为目标函数，采用直接搜索法与准则法有机结合的综合优化设计方法，按规范要求对网壳结构的外形及杆件的截面积进行优设计，并考虑了竖向和水平地震作用。     

多维多点地震激励下随机K8单层球面网壳的可靠度分析

大跨度空间钢结构的多维多点抗震分析已有不少研究,但针对其随机反应极值分布的研究甚少。传统的基于跨越理论的方法仅在简单的场合和很强的假定下才可得解析解;而扩散过程理论方法仅在单自由度体系等简单情形下才能使用,基于此,将近年来提出的概率密度演化法引入到多维多点激励下大跨度空间钢结构动力反应极值分布的计算中,该法构造了一个虚拟时间过程,建立概率密度演化方程并求解给出随机结构动力反应的极值分布,在安全域内积分即可给出结构动力可靠度。为验证其效率与精度,应用此法求得了多维多点地震激励下单层球面网壳结构的可靠度与极值分布,与随机模拟结果一致,因此引入的算法具有准确、高效和通用的特点。     

铝合金单层球面网壳的非线性稳定分析

以K8型单层球面网壳结构为例,采用有限元分析软件ANSYS进行建模和计算,对铝合金网壳进行了几何非线性稳定分析,讨论了矢跨比、荷载分布形式、初始缺陷和支承条件对网壳稳定性承载力的影响。通过与钢网壳比较,得到了一些关于铝合金单层球面网壳稳定性的结论,可为相关的工程设计提供参考。     

单层球面网壳结构的性能研究

本文应用ＳｕｐｅｒＳＡＰ９３计算程序,对单层方型球面结构做了静力,动力及稳定分析;研究了不同矢跨比,支承条件对结构性能的影响及其结构力选取的影响,得出了一些较有价值的结论。     

K8型单层球面网壳顶点竖向冲击下的冲击荷载特征及荷载简化模型

为简化网壳结构遭受冲击作用时复杂的接触分析过程,基于ANSYS/LS-DYNA建立了单层K8型球面网壳模型,并模拟其在不同冲击作用下的失效过程,辨别网壳的失效模式,并获取了冲击过程中的冲击力曲线。通过对网壳遭受竖向冲击荷载下的这些冲击力曲线特征进行分析,提出了简化的冲击荷载模型,并应用能量守恒定律和动量定理确定了模型相关参数。利用此冲击力模型对网壳结构在冲击荷载下的响应进行分析并与实体冲击物作用下的响应进行了对比,验证了该模型的准确性,应用该模型可以实现对网壳抗冲击性能的简单有效评估。     

焊接球节点单层球面网壳精细化动力分析

单层球面网壳几何非线性影响较为明显,强烈地震作用下有发生动力失稳破坏的可能,节点和杆件在强震作用下会发生较大塑性变形和损坏,从而影响整体结构的抗震能力,因此网壳结构引入节点建模的精细化动力分析尤为重要。而传统单层网壳的分析常把焊接球节点假设为完全刚性节点,未考虑节点弯曲刚度、轴向刚度以及扭转刚度的影响,会过高的估计结构抗震承载力,使结果偏于不安全。采用ANSYS软件中的SHELL181壳单元建立了一个跨度为6 m的K6(2)型包含焊接空心球节点的精细化网壳模型,研究了网壳的频谱特性、水平和三向地震作用下的承载力,以及节点壁厚变化对动力极限承载力的影响。结果表明,节点的塑性发展会影响网壳的动力稳定性,在满足节点壁厚与杆件壁厚比大于1.5时,节点刚度变化对动力极限承载力影响较小。     

单层球面网壳跳跃失稳的运动特性

本文从运动学的角度,基于非线性运动平衡方程,对单层球面网壳结构发生跳跃失稳时的运动特性进行了研究。在结构达到临界失稳状态的前后分别采用基于静力的几何非线性分析方法和基于动力响应的几何非线性分析方法,描述结构的实际行为特性。对网壳结构失稳时的加速度、速度与位移等结构响应的研究,揭示了失稳的运动本质,为结构稳定性分析、失稳机制和结构失稳的传播特性的研究提供了另一条途径。     

单层球面网壳的多重地震效应研究

为研究网壳结构包含主余震序列的多重地震效应,该文首先筛查中国地震台网中心和太平洋地震工程研究中心数据库中的主震、余震序列数据,获得14次地震中共计342对包含主余震序列的多重地震动时程数据;应用这些多重地震数据对单层球面网壳进行了全荷载域动力时程分析,根据得到的各特征响应随加速度幅值变化曲线,讨论网壳结构的多重地震效应。首先通过对不同加速度幅值下结构响应算例的描述,定义了余震引起的五种不同影响程度。在此基础上进行了大量的参数分析,统计归纳了主震结束时单层球面网壳最大节点位移、塑性发展程度和损伤程度等对结构抵抗余震能力的规律,并将主震结束时的1P杆件比例和损伤因子定义为衡量结构抵抗余震能力的指标,所得出的结论可为实际工程的抗震设计提供参考。     

单层球面网壳模型动力特性测试实验

为测定单层球面网壳模型振动台实验时的动力特性，进行噪声采集实验，剔除对实验干扰较大的各种环境噪声。通过模型在各种不同幅值白噪声及快速正弦扫频作用下动力响应确定实验所需测试幅值，测定模型的动力特性。通过锤击测定结构动力特性，并通过随机减量技术与HHT相结合方法对锤击结果进行分析。实验结果表明：网壳结构频率密集，各种环境噪声对实验结果干扰较大，应剔除环境噪声影响；采用快速正弦扫频、白噪声激励、锤击法均可准确测定结构的动力特性且结果相差不大。采用有限元软件ABAQUS对实验进行数值模拟，与实验结果对比分析表明，建模精确，有限元模拟可准确确定结构的动力特性。此可为模型振动台实验及结构抗震性能研究奠定基础。     

单层球面网壳动力失效全过程试验研究

为了更加深入研究单层球面网壳的动力失效。结合一个K6型单层球面网壳振动台试验,设计出一套描述单层球面网壳强振倒塌全过程的测试方法,包括:冲击法测试结构自振特性、低频调幅加载评估损伤程度和基频简谐加载监测结构失效过程。结合数据测量结果,描绘出结构倒塌过程的变形时程,分析结构的基频、阻尼及振型,记录杆件进入塑性的顺序,探索结构损伤演化的规律及倒塌破坏的机理。最后考虑材料的损伤,进行有限元模拟,验证了模拟方法的正确性。     

单层球面网壳抗连续倒塌性能研究

该文结合单层球面网壳冗余度较低、稳定性问题突出等特点,提出了一种基于构件承载能力的敏感性评价指标,对采用不同网格布置形式的单层球面网壳进行了连续倒塌分析,明确了结构在极端雪荷载作用下的连续倒塌破坏模式以及敏感构件和关键构件的分布规律,分析了初始缺陷和压杆屈曲对构件敏感性的影响。分析结果表明：网格布置形式对单层球面网壳的抗连续倒塌性能以及破坏模式有很大影响,K8型网壳以及K8-联方型网壳在撤除敏感构件后均发生了整体倒塌破坏,而短程线型网壳的内力重分布能力较强,未发生连续倒塌破坏。增大关键构件的截面尺寸比增大敏感构件的截面尺寸更能有效提高单层球面网壳的抗连续倒塌性能。考虑初始缺陷后,构件重要性系数最多增大3.0倍,敏感构件的分布位置基本不变;而考虑压杆屈曲后,结构敏感构件的数量明显增加,重要性系数增大了1.2倍~5.6倍。     

单层球面网壳结构弹塑性稳定性能研究

有计划地针对六种实际尺寸的常用单层球面网壳结构,利用ANSYS软件及自编的前后处理程序进行了3200余例网壳双重非线性全过程分析。求得网壳的弹塑性极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称分布,支承条件等因素对单层球面网壳结构弹塑性稳定性能的影响,着重研究考虑材料非线性后网壳极限承载力的变化规律。通过这种大规模参数分析研究,较全面了解单层球面网壳结构的弹塑性稳定性能,为实际工程设计提供了理论依据和设计参考。     

单层网壳的稳定性分析

本文用广义逆矩阵方法分析了单层网壳的稳定性问题。由工程应变推导出几何非线性的切线刚度矩阵,并给出判断分歧点与极限点的准则,最后用一数值例题说明该方法的分析过程。     

基于损伤的单层球面网壳结构地震剩余承载力评估与优化分析

为准确模拟地震作用下杆件损伤对单层球面网壳结构剩余承载力的影响,该文基于"拟壳法"思想,推导了单层球面网壳结构最薄弱网格区域内杆件损伤与结构剩余承载力的关系式,建立了基于损伤的单层球面网壳结构地震剩余承载力评估模型,并以跨度80m的K8型单层球面网壳结构为例,开展了不同地震作用下单层球面网壳结构地震剩余承载力评估与优化研究。结果表明:建立的评估模型能够快速、准确评估薄弱网格区域处的杆件损伤对单层球面网壳结构地震剩余承载力的影响程度;应用该评估模型对单层球面网壳结构进行地震损伤优化,可明显提高结构的地震剩余承载力。     

铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性研究

为了研究K6型和K8型铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性,采用有限元软件ANSYS进行了大规模有限元分析,分析中考虑了矢跨比、跨度、屋面荷载、跨厚比、网格密度、约束条件等参数的影响。基于有限元分析结果,拟合得到了不考虑节点刚度影响时单层球面网壳的基本自振频率估算公式。考虑板式节点刚度的影响,引入基频放大系数,进一步提出了考虑板式节点刚度影响的网壳基频估算公式。将所提出的估算公式的计算值与某铝合金板式节点网壳的实测基频进行了比较,结果吻合良好,证明了公式的有效性。